christophe ochando recherche du boson de higgs dans le canal zh bb dans lexpérience dØ auprès du...

Christophe Ochando

Recherche du boson de Higgs dans le canal

ZHbbdans l’expérience DØ auprès du TeVatron

Soutenance de Thèse – Université Paris-Sud XI

29 Septembre 2008

29 Sept. 2008 Christophe Ochando 2

Plan de la présentation

Motivations théoriques Le Modèle Standard Le mécanisme de Higgs

Dispositif Expérimental Le collisionneur Tevatron Le détecteur DØ Stratégie de recherche du Higgs au Tevatron

Corrections des jets issus de la simulation

Système de déclenchement Optimisation des conditions de Niveau 3 Simulation de la réponse

Recherche du boson de Higgs Bruits de fond : détermination et réduction Analyse discriminante Résultats


MotivationsThéoriques


Le Modèle Standard

Offre une description des constituants élémentaires de la matière : les fermions.

… et de leurs interactions, via les bosons.

Leptons Quarks

Théorique quantique des champs basée sur l'invariance de jauge : SU(3)CSU(2)LU(1)Y

Or, l’interaction faible est de courte portée :W et Z sont massifs:MW = 80.4 GeV/c2

MZ = 91.2 GeV/c2

Incompatibilité !

Bosons de jauge de masse nulle


Infinité de minima stables ne respectant pas la symétrie du Lagrangien.

Solution imaginée dans les années 60, indépendamment par Peter Higgs (1964), Englert & Brout (1964), Guralnik, Hagen & Kibble (1965) :

Génération des termes de masse pour les bosons W et Z, Masses des fermions via des couplages de Yukawa, Symétrie résiduelle U(1)EM,

Prédiction d’une nouvelle particule neutre : le Boson de Higgs.

Mécanisme de Higgs

2††2 )( )( V

2/22

BRISURE SPONTANEE DE LA SYMETRIE SU(2)LU(1)Y

Ajout d’un doublet complexe de champs scalaires . Champ de Higgs plongé dans un potentiel en forme de “chapeau mexicain” :

Le Modèle Standard (MS) est en parfait accord avec les données expérimentales…

… seul le boson de Higgs n’a pas encore été observé.


Boson de Higgs : contraintes directes et indirectes

Recherche directe (menée au LEP) : MHiggs >114.4 GeV à 95% C.L.

En particulier, les mesures de MW et Mtop favorisent un Higgs « léger »

La masse du boson de Higgs est un paramètre libre du MS.

MHiggs intervient dans les corrections radiatives aux observables du MS.

Mesures précises de la théorie électrofaible

MHiggs < 154 GeV à 95% C.L

Contraintes indirectes.


DispositifExpérimental


le Tevatron

Run I (1992-1996) : découverte du quark top (95)

Run II (2001-2010?) : Amélioration des détecteurs et de la chaîne d’accélération.

Run IIa (2001-2006) : - ~1 fb-1 de données collectées.-“Bs Mixing”, WZ, top célibataire.

Run IIb (juin 2006-2010 ?)- Période de très haute luminosité.- ZZ, nouveaux baryons.- Higgs ?

proton anti-proton

1.96 TeV au Centre de Masse

Tevatron (Fermilab): collisionneur proton-antiproton

Vaste programme de physique :Physique des quarks b et top, Physique électrofaible, QCD, Higgs, Nouvelle Physique.

Chicago

CDF DØ

Tevatron


Luminosité et Performances

Run IIa : ~1 fb-1

Run IIb : > 3 fb-

1

Lum

inos

ité in

tégr

ée (

pb-1)

Performances actuelles excellentes. 5 fb-1 délivrés. Record de luminosité instantanée :

315x1030cm-2s-1

Environ 8 fb-1 attendus en 2010.

Expérience DØ : 90% d’efficacité de prise de données.

~50 pb-1 enregistrés par semaine.

Plus de 4 fb-1 enregistrés au total.


Calorimètre à échantillonnage:

milieu actif : LAr. absorbeur : Uranium.

Le détecteur DØComposé de sous-détecteurs agencés de manière concentrique autour du faisceau.

Détecteur de traces :

Détecteur à micropistes de silicium (SMT)

Détecteur à fibres scintillantes (CFT)

Aimant supraconducteur (2T)

Spectromètre à muons : Chambres à dérives Scintillateurs Toroïdes en fer (1.8 T)

Protons

Anti-protons

z

)2θ

ln(tanη

Angle polaire

=0 (le long de l’axe z)

Repère (r,,)

pT=impulsion dans le plan transverse

(x,y)

y


Le calorimètre

Rôle : Reconstruction des électrons, des photons et des jets. Détermination de l’énergie transverse manquante.

Structure : 1 partie centrale (||<0.8) 2 bouchons (1.6<||<4.2) + détecteurs dans la région inter- cryostatique (ICR) (0.8<||<1.6)

Composition : 4 couches électromagnétiques 3 couches hadroniques fines 1 couche hadronique grossière

~50 000 cellules regroupées en tours pseudo- projectives (x=0.1x0.1)

Central (CC)

Bouchons (EC)

ICR (région moins instrumentée)


Stratégie de recherche du

Higgs au Tevatron


Boson de Higgs : Modes de désintégration

bbH

Exclu au LEP WWH

bbH Pour MHIGGS < 135 GeV,

Pour MHIGGS > 135 GeV,

Couplage du Higgs aux particules : proportionnel à leur masse.

Désintégration du boson de Higgs dans la paire de particules la plus lourde accessible cinématiquement.

Pas de couplage direct aux photons ou aux gluons.


Exlcu au LEP

Le Higgs au Tevatron : Modes de production & Canaux

« Higgstrahlung »

WW* ll

l = leptons = électrons, muons, taus, =neutrinos

bbννZHZ*qq Canal étudié lors de ma thèse :

mH<135 GeV : Hbb Fusion de gluons : gg H bb ?

Noyé par le bruit de fond QCD Production associée à W/Z ?

Préférée si désintégrations leptoniques des W/Z

mH>135 GeV : HW+W-

Fusion de gluons ?

Oui, avec désintégrations leptoniques des W

l, ll,

bb

Fusion de gluons


La topologie Jets et Energie transverse manquante

Une calibration précise de l’énergie des jets,

Des conditions de déclenchement spécifiques et optimisées,

Pour le Higgs : faible section efficace + importants bruits de fonds

Une bonne modélisation des bruits de fond, Une discrimination du signal et des fonds à l’aide de techniques avancées.

Topologie très délicate auprès des collisionneurs

hadroniques

1ère partie

2ème partie

3ème partie

Les analyses possédant un tel état final nécessitent :

bbννZH Canal : 2 jets + énergie manquante.

jet


Correctionsdes jets simulés


Jets et énergie transverse manquante

Jet de partons(partons issus de l’interaction dure)

Jet de particules

(particules issues de l’hadronisation des partons)

Jet calorimétrique

(reconstruction des gerbes initiées par l’interaction des particules dans le calorimètre)

Jet: Reconstruit à l’aide d’un algorithme de cône de rayon

22 yR

Energie Transverse Manquante (MET) : Due aux particules n’interagissant pas ou peu avec le calorimètre (neutrinos, muons)

cellules

TpMET


hadrons

Calorimètre

partonfragmentation

Echelle d’énergie absolue des jets dans DØ (JES)

But: Ramener l’énergie mesurée des jets calorimétriques au niveau des jets de particules (i.e., avant l’interaction avec le détecteur)

SR

OffEE

jet

mesjetptcl

jet *

)(

Offset : Energie non-associée au processus dur :

- Bruits (Uranium, électronique)

- Empilement- Interactions multiplesRéponse :

• Réponse du calorimètre au jet• Mesurée avec des événements +jet (et dijet)

« Showering (S) »: prend en compte le fait qu'une particule à l'intérieur (resp. à l’extérieur) du cône de reconstruction du jet peut déposer de l'énergie en dehors (resp. à l’intérieur) du cône lors du développement de la gerbe.


Corrections des jets simulés : Motivations

Une bonne compréhension de la masse invariante di-jet est cruciale pour la recherche d’un boson de Higgs de basse masse au TeVatron.

La simulation du détecteur DØ ne reproduit pas correctement :

But de la méthode S.S.R (pour “Smearing, Shifting and Removing”)

Toutes ces caractéristiques sont corrélées et doivent être corrigées de façon cohérente

donnéessimulati

on

Résolution des jets- l’échelle d’énergie des jets,

- la résolution en énergie des jets,

- l’efficacité de reconstruction et d’identification des jets


Sélection

ZT

ZT

JetT

pppS /

/

Les jets sont corrigés de JES. L’échelle d’énergie électromagnétique est connue précisément :

Calibration à partir d’événements Zee. Différence d’échelle d’énergie électrons/photons estimée à partir de la simulation.

Jet

Z ou

tester l’équilibre en énergie transverse entre le photon/Z et le jet

S est calculée pour différents intervalles de pT(Z/),

À la fois pour les données et la simulation (MC), Et pour plusieurs régions en du calorimètre.

Utilisation de la variable S :

Sélection d’événements /Z(ee) + 1 jet dos-à-dos en .


La Méthode S.S.R.Les distributions de S sont décrites par une fonction F : F = Gaussienne*Turn-on

afin de modéliser l’inefficacité de reconstruction des jets de bas pT.

F = Gaussienne en pratique, lorsque le turn-on n’est plus nécessaire.

Valeur moyenne des gaussiennes Largeur des gaussiennes Turn-on

Echelle d’énergie des jetsRésolution en énergie des jetsEfficacité de reconstruction des jets

Événements photon/Z+jet dont le jet n'a pas été reconstruit

50<pT<60 GeV18<pT<23 GeV

Différences données/MC facteurs de correction de la simulation


Exemple : Différences d’échelle d’énergie

<Sgauss>(data) - <Sgauss>(MC)

donnéesMC

<S>gau

ss

Importantes différences à bas pT entre les données et la simulation.

La différence de <S> entre les données et la simulation

donne accès à l’échelle relative d’énergie des jets (rJES)

Jets Centraux


Jet pT [GeV]

Corrections de la simulation

La résolution des jets simulés est dégradée afin de correspondre à celle des

jets dans les données.

L’échelle relative d’énergie des jets est appliquée à la simulation.

Les jets ainsi corrigés dont pT<15 GeV sont retirés

(le plateau des turn-ons est atteint à 15 GeV)

La coupure à 15 GeV est aussi appliquée aux

données.

donnés MC

Z pT [GeV] Z pT [GeV]


Comparaisons Données/MC

DONNEESMC

Comparaison du spectre en pT des jets (pour pT()>50 GeV), avant (à gauche) et après (à droite) les corrections.

L’accord données/MC est grandement amélioré après les corrections.

La méthode S.S.R. fait partie de la chaîne standard d’analyse de DØ.


pT (GeV)100 20020

<S>gauss

Vers une correction des jets de quarks et de gluons… (1)

Différences entre jets de quarks et jets de gluons :

Y’a-t-il des différences pour les jets de gluons (ou quarks) entre les données et la simulation ?

Est-il possible de construire rJES (quark) et rJES(gluon) ?

Réponse (gluon) < Réponse (quark)

… mais comment faire dans les données ?

Z+quarkZ+jetsZ+gluon

JES/SSR : correction moyenne, quelque soit la nature du jet.

Dans la simulation, accès à toutes les informations…

S(gluon) < S(quark)

MC

Jets de gluons :

• multiplicité de particules plus grande,• particules de plus basse énergie.


Vers une correction des jets de quarks et de gluons… (2)

Deux lots à notre disposition, +jet et Z(ee)+jet, avec des compositions partoniques différentes.

datagluon

Zgluon

dataquark

Zquark

Z

datagluongluon

dataquarkquark

SSS

SSS

(data)

(data)

Possibilité d’écrire le système suivant :

S(data) et SZ(data) : mesurées dans les données. Fractions extraites à partir de la simulation Sdata

gluon/quark obtenues par résolution du système.

rJES (quark)

rJES (gluon)

rJES (cocktail)

Au-dessus de 20 GeV, les jets de quarks sont sur le même pied dans les données et la simulation. les jets de gluons nécessitent une correction. méthode en cours de test dans DØ.

Fraction de gluons

Z+jetPhoton+jet


Conditions dedéclenchement :

Optimisation & Simulation


Système de déclenchement à DØ

Les faisceaux se croisent toutes les 396 ns Environ 2 Tb/s de données à traiter. On ne peut pas tout enregistrer. Et d’ailleurs on ne veut pas :

recherche de phénomènes rares.

Étape cruciale : tout événement non enregistré est perdu à jamais !

Système de déclenchement à 3 niveaux enchaînés :

Quantité et complexité des informations disponibles Temps de calcul

Nécessité de filtrer les événements en ligne

Niveau 1

Niveau 2

Niveau 3

50-150 Hz

0.8 kHz1.6 kHz1.7 MHz

Augmentent de niveau en

niveau

Higgs

QCD

Près de 11 ordres de grandeur !

s (TeV)


Système de déclenchement au Run IIb

Printemps 2006 : Début du Run IIb, période de prise de données de très haute luminosité.

Pics de luminosité instantanée attendus : 300E30 cm-2 s-1

Nouvelles contraintes sur le système de déclenchement : Réduction des taux par ~ un facteur 2.

Amélioration majeure du Niveau 1 du système de déclenchement de DØ. En particulier : Nouveau Niveau 1 pour le Calorimètre.

Utilisation de l’algorithme de “fenêtre glissante”.

Possibilité de : définir des objets tels que des électrons/photons, jets ou taus. utiliser des variables topologiques.


Conditions de déclenchement Jets+MET au Run IIb

Etats finals Jets+MET : impliqués dans beaucoup de processus différents : Higgs ou Nouvelle Physique.

Trois conditions de déclenchement complètement nouvelles pour les topologies jets+MET ont été conçues pour le Run IIb :

Monojet: pour des signaux tels que les monojet+MET (dimensions supplémentaires). Dijet: pour ZHbb ou stops, sbottoms, … venant de SUSY. Multijet: pour les gluinos (SUSY).J’étais en charge de l’optimisation du Niveau 3 pour ces conditions.

Conception des conditions de déclenchement :

Compromis à trouver entre :

efficacité du signal recherché et

taux de sortie (50-150 Hz au final) pour TOUT le programme de physique de DØ


Conception du Niveau 3 Dijet

Avant mon travail, le précédent Niveau 3 demandait : Au moins 1 jet, MHT > 30 GeV, HT > 50 GeV

+ coupures cinématiques

(jets)pMHT

(jets)pHT

T

T

Nouvelle conception: “Au moins 2 jets” désormais demandé. Coupure en HT supprimée, Seuil sur MHT abaissé à 25 GeV, Introduction de MET au L3 (voir à droite)

Signal ZH (mH=115 GeV)

Taux à 300E30 cm-2 s-1 : Réduction par environ 44% Efficacité de signal (par rapport à des coupures d’analyse) : 88% 91% (+3%) Réduction des taux et augmentation de l’efficacité de signal similaires obtenues avec les conditions monojet et multijet. Conditions en ligne depuis Octobre 2006.

25 GeV

avec :

(normalisation aribitraire)

(= MET calculée avec les jets)


Modélisation de l’efficacité de déclenchement

La simulation du système de déclenchement n’est pas incluse dans la chaîne de simulation complète du détecteur.

Nécessité de modéliser l’efficacité de déclenchement pour les données simulées.

Des paramétrisations existaient pour le Run IIa.

Nouveau Niveau 1 du Run IIb : nouvelle paramétrisation nécessaire. J’ai conçu et implémenté une méthode, basée sur les données,

pour émuler la réponse de ce système. Elle a été déterminée à l’aide d’événements Z+- +jets :du point de vue calorimétrique, même topologie que le

signal (les muons ne déposent leur énergie qu’au minimum

d’ionisation) +

-

jet


Ce qu’il faut modéliser…

pT du premier jet

DONNEES Z(déclenchement sur muons)Avant Après le Niveau 1

MHT

Effet très important à modéliser…


Mesure de l’efficacité de déclenchement

pT du Jet hors-ligneAvantAprès le terme de Niveau 1

Turn-on d’Efficacité

Au Niveau 1 : termes de jets et MET. J’ai mesuré l’efficacité individuelle de chacun des termes, sur les données.

Efficacités paramétrées en fonction de quantités “hors-ligne” pour

pouvoir être appliquées à la simulation.Exemple: terme CSWJT(1,30,3.2) :

“au moins 1 jet de Niveau 1 avec ET>30 GeV et ||<3.2”


Tests de cohérence

Toutes les efficacités individuelles des termes ont été combinées afin de calculer la probabilité totale pour qu’un événement passe les critères du Niveau 1 en prenant en compte le recouvrement entre les différents termes.

Tests de cohérence effectués sur les données,

avec des événements W() + jets.(déclenchement sur des muons isolés)

MHT

DONNEES

Après la paramétrisation du Niveau 1Après la vraie décision du Niveau 1.

HT


Recherche du boson de Higgs


Le canal ZHbb

Signature Expérimentale :

Deux jets de grand pT, issus de quarks b

Energie Transverse Manquante (MET), Pas de lepton isolé

La réaction ppHZ avec Hbb et Z est parmi les plus prometteuses pour la

découverte d’un boson de Higgs de basse masse au TeVatron.

Cette recherche est également sensible au canal W(l)H(bb) où le lepton n’est pas identifié ou reconstruit.

+

ZHbbWHlbb

ZHl+l-bbBR(Zl+l-) 3%

BR(Z)20% (3 saveurs de neutrinos)


Bruits de fond (1)

Production de jets par interaction forte.

Énergie manquante factice due à la mauvaise mesure de l’énergie des jets.

Faible probabilité mais section efficace importante.

Faible MET, alignée avec la direction du jet mal mesuré.

Estimé à partir des données.

jet 2

jet 1

MET

Deux types de bruits de fond pour cette analyse :

Bruit de fond instrumental, dit “QCD” Bruits de fond physiques

Bruit de fond QCD


Bruits de fond (2)

Bruits de fond physiques

Production de bosons W/Z + jets :

• En particulier :

Z + jets (irréductible)

W(l) + jets

Production de paires de bosons vecteurs : WW, WZ, ZZ

Production de quarks top (par paire ou célibataire)

l = électrons, muons ou taus

q

q

W

b

b

Processus simulés à l’aide de : ALPGEN interfacé avec PYTHIA (W/Z/tt) COMPHEP (top célibataire) PYTHIA (dibosons)

q

q

Z

b

b


Sélection

La recherche a été effectuée avec 2.1 fb-1,

2 ou 3 jets avec pT > 20 GeV

|(jets)| < 2.5

MET > 50 GeV

Coupures topologiques contre le bruit de fond QCD

+

Veto sur leptons isolés : électrons muons (contre W/Z+jets)

les données du Run IIb (1.1 fb-1) ont été enregistrées avec la condition DIJET optimisée.

Run IIa + Run IIb


Les bruits de fond physiques sont estimés à partir de la simulation, et leur bonne modélisation est vérifiée comme suit :

Un lot de contrôle est sélectionné de la même manière que le lot de signal, excepté que le veto sur les muons est inversé afin d’enrichir le lot en événements W().

Si l’impulsion du muon n’est pas propagée au calcul de la MET, ce lot a la même topologie, du point de vue du calorimètre, que le signal.

Bruits de fond physiques : Contrôle

Lot de contrôle W()+jets

W+jetsW+saveurs lourdesZ+jetstop


Bruit de fond QCD : Estimation

Le bruit de fond QCD est estimé à partir des données.

Utilisation de la variable (M_TrkPt, MET) pour définir un lot QCD où M_TrkPt = MET calculée à partir des traces.

LotQCD

(>/2)

Lot de signal(</2)

(M_TrkPt, MET)< /2 définit le lot de signal, dans lequel l’analyse est effectuée,

(M_TrkPt, MET)> /2 définit le lot QCD (en rouge), utilisé pour modéliser le fond QCD dans le lot de signal.

MET

SIGNAL QCD

M_trkPt

Jet 1

Jet 2MET

M_trkPt


Lot de signalpT du Jet 1

R(jet 1, jet 2)

W+jetsW+saveurs lourdesZ+jetsZ+saveurs lourdesTopQCD

pT du Jet 2

Signal (x500) QC

D

Z+jets

W+jets La combinaison du fond

QCD et des fonds physiques fournit une bonne description des

données.


Étiquetage des saveurs lourdes

Augmentation de la sensibilité : tirer parti du rapport de branchement Hbb Étiquetage des quarks b appliqué au deux jets de plus grand pT, à l’aide d’un algorithme utilisant un réseau de neurones.

Une bonne description des données est obtenue, à la fois avant et après l’étiquetage des quarks b.

Avant AprèsMasse invariante

Dijet

Signal (x10)

W+jetsW+saveurs lourdesZ+jetsZ+saveurs lourdesTopQCD

Signal (x500)


Analyse Discriminante

La séparation finale entre le signal et les bruits de fond restants est obtenue à l’aide d’une technique d’Arbre de Décision Stimulé (ADS). 24 variables utilisées, dont :

Masse invariante dijet (la +plus discriminante), pT et des jets, R(jet 1, jet 2), (jet 1, jet 2), etc…

Les signaux ZH et WH sont combinés.

Sortie du AD :

Exemple pour un signal Higgs avec mH=115 GeV, et

pour le Run IIb

Un AD différent a été entraîné pour chaque masse de Higgs testée, ainsi que pour chacune des périodes de prises de données (Run IIa et Run IIb)

Signal (x25)


Erreurs systématiques

Simulation des conditions de déclenchement : +/- 5.5 %

Sections efficaces : +/- 6-16% (bdf physique) +/- 6% (signal)

Fractions de saveurs lourdes dans W/Z + jets : +/- 50%

Etiquetage des quarks b : +/- 6% (bdf physique et signal)

Luminosité : +/- 6.1%

Contributions majeures (Run IIb) :


Résultats

Bon accord données/bruit de fond. Pas de déviation observée.

Pour une masse de 115 GeV, la limite est un facteur 7.5 plus grande que la section efficace prédite par le Modèle Standard…

Détermination de limites sur (Higgs)*BR(H->bb) basée sur la sortie de l’AD.

Méthode statistique : CLs (fréquentiste modifiée)

Limites exprimées suivant le rapport :

Prédiction du Modèle Standard

)bbZH)xBR(Hpσ(p

C.L. 95% à exclue efficace SectionR

Résultat le plus sensible pour un Higgs de basse masse à DØ


Combinaison du TeVatron (1)

Augmentation de la sensibilité globale au boson de Higgs :

Combinaison de tous les canaux Combinaison des deux expériences : DØ et CDF.

Dernière combinaison complète réalisée au printemps 2008

Analyses avec 1.0 – 2.4 fb-1.

Pour mH=115 GeV, Rattendu (resp. Robservé) = 3.3 (resp. 3.7)

Pour mH=160 GeV, Rattendu (resp. Robservé) = 1.6 (resp. 1.1)

Rapport R


Combinaison du TeVatron (2)

Eté 2008 : combinaison des canaux sensibles aux hautes masses uniquement.

Combinaison DØ+CDF Analyses avec 3 fb-1

Exclusion d’un boson de Higgs avec mH=170 GeV

Premiere fois depuis le LEP qu'un accélérateur apporte une information directe sur la masse du boson de Higgs


Conclusion

Une méthode a été développée pour corriger de façon cohérente les différences entre les données et la simulation pour :

L’échelle d’énergie des jets, La résolution en énergie des jets, L’efficacité de reconstruction des jets.

Elle est utilisée de manière standard dans la chaîne d’analyse de DØ. Une procédure a été mise en place pour corriger différemment les jets issus de quarks et les jets issus de gluons. Le Niveau 3 des conditions de déclenchement pour les topologies jets+MET pour le Run IIb a été optimisé.

Augmentation de 3% sur l’efficacité de signal, Tout en réduisant les taux d’un facteur 2.

Un outil a été développé pour simuler la réponse du système de déclenchement.

Recherche du boson de Higgs dans le canal ZHbb avec 2.1 fb-1

Pas de déviation par rapport aux prédictions du Modèle Standard.Limites : pour mH=115 GeV, R(exclu/SM) = 7.5.

Limite combinée : R(exclu/SM) =3.7


Le Higgs au TeVatron : Prospectives

Des prospectives ont été réalisées en 2007 : Projection des résultats d’alors à des luminosités intégrées plus élevées. Prise en compte de futures améliorations possibles.

Avec 7 fb-1 / expérience (attendus en 2010) : Exclusion sur quasi tout le domaine en masse si aucun n’est signal n’est vu. Évidence à 3 possible dans les régions extrémales (au-delà de 155 GeV et au voisinage de la limite du LEP)

Luminosité requise par

expérience (fb-1)

Evidence à 3

Exclusion à 95% C.L.

Eté 20083 fb-1


BACK UP

SLIDES


Limites du Modèle Standard (1)

19 paramètres libres : non expliqué

Mécanisme de brisure électrofaible tjrs mystérieux le boson de Higgs est manquant

Non unification des constantes de couplages

Ne décrit pas la gravitation Non négligeable à l'échelle de Planck Λp (~1019 GeV)

Problème de hiérarchie et de naturalité : - 17 ordres de grandeurs entre Mw et ΛP - corrections radiatives ajustement fin ordre par ordre

H H

f

f

...)ln(62

1622

2

2

2

f

UVfUV

f

H mmm


Limites du Modèle Standard (2)

Masse des neutrinos : oscillations des neutrinos indiquent une masse non-nulle (même si très faible) des neutrinos première indication directe de physique au-delà du MS

Matière noire/Energie noire : Aucun candidat dans le MS pour la matière noire Pas d’explication de l’énergie noire (composante majeure de la densité d’énergie de l’Unviers)

Structure en famille non expliquée.


Solution au problème de naturalité :

Unification des constantes de couplages

Aucune sparticule n’a été observée, la supersymétrie est nécessairement brisée.

Pour éviter de faire resurgir le problème de naturalité, il faut imposer :

les particules supersymétriques sont à la portée des accélérateurs

)(~2/122 TeVOmm FB

La supersymétrie

Nouvelle symétrie reliant les bosons et les fermions fermions bosons

H H

f~

H H

f

f

+ = 0


Extension supersymétrique minimale du modèle standard

quarks squarks

Bosons de jauge jauginos

Bosons de Higgs higgsinos

leptons sleptons (2 doublets de

Higgs)

Le MSSM

Nouveau nombre quantique R-Parité - R = -1 particules susy - R = +1 particules sm

Si la parité R conservée :

- Particules susy produites en paires à partir des particules du ms.

- Particules susy se désintègrent en nombre impair de particules susy.

- La particule susy la plus légère (LSP) est stable (candidat CDM) (Dans la suite LSP = plus léger des neutralinos)

charginosneutralinos

SLBPR

23)1(


Higgs & SUSY (1)

MSSM : Deux doublets de Higgs (au moins) d’hypercharges opposées : H1(H0

1, H1-) et H2(H-

2, H1-2)

Pourquoi deux ?

Anomalies chirales : s’annulent car la somme des hypercharges des fermions d’une même famille est nulle. Chaque doublet de Higgs : fermion chiral (Higgsino) Ajout de paires de doublets de Higgs d’hypecharges positives pour conserver cette annulation.

MS : masse des fermions d’iospin opposé généré avec =i2 *. Superpotentiel de SUSY ne peut être formé que des superchamps et pas des superchamps conjugués. En SUSY, pour la génération des masses des fermions de deux types d’isospin, il faut introduire 2 doublets de Higgs.

5 bosons de Higgs : h, H, A et H+/-

tan = v2/v1


Higgs & SUSY (2)


TeVatron : historique & performances

59

Current performance:• Instantaneous luminosity:

~2.8x1032 cm-2s-1

• Integrated luminosity: ~4.8 fb-1

• Project ~7.3-8.8 fb-1 by end of FY10

6.72.52.5Interactions/ crossing

3963963500Bunch crossing (ns)

50203 Ldt (pb-1/week)

2.5 10321x10321.6 1030Typical L (cm-2s-1)

1.961.961.8s (TeV)

36 3636 366 6Bunches in Turn

Run IIbRun IIaRun I


JES : Mesure de la réponse

TreculTreculT

reculTT

EpRp

pp

,,

,, 0

(idéal)

(réel)

,

ˆ1

T

Trecul p

nER

MPF = Missing transverse energy Projection Fraction

Utilisée avec des événements :

Photon+jet (dos-à-dos): Rjet~Rrecul mesure de la réponse absolue

Dijet: mesure relative de la réponse d’une région du détecteur par rapport à une autre uniformisation de la réponse en fonction de

(après EM scale: REM=1, pour un photon et un jet dos-à-dos)


Echelle d’énergie électromagnétique : électrons & photons

Détermination absolue à partir de la résonnance Z e+e-

Echelle d’énergie électromagnétique (EEE)

Echelle d’énergie des photons : Photons : pouvoir de pénétration plus grand que les électrons. Echelle d’énergie des électrons : sur-corrige l’énergie des photons. Correction à EEE estimée à partir de la simulation

E(reco) – E(généré) / E(généré)


Pureté du lot photon+jet

Contamination dijet QCD du lot photon+jet :

Estimation de la pureté du lot photon+jet

Simulation : Sections efficaces

Photon+jet purs, EM-jet + jet

Données+simulation : ajustement de HC07.

Pureté dépend :

de l’énergie

des critères de qualité du photon

de la position en dans le calo


JES : Corrections

DONNES MC


JES : Erreurs

DONNES MC


S.S.R.: lots utilisés

Z(ee) + jet: Signal propre…

… mais faible statistique.

Utilisé pour déterminer les paramètres de SSR dans le CC

+ jet: Plus grande statistique…… mais contaminé par des événements dijet : - Critères durs sur le candidat photon - Estimation du fond QCD Utilisé pour extrapolé les résultats CC aux autres régions en .

S est calculée pour différents intervalles de Z/ pT bins, et dans 4 régions en regions, à la fois pour les données et la simulation :

CC: |det| < 0.8, ICR: 0.8 < |det| < 1.6, EC: 1.6 < |det| < 2.4, VEC: 2.4 < |det| < 3.2


L’observable S

Z ou

0.5 cone size jetL’observable

S :

Sensible à :- la physique en dehors du cône - Energie non-associée à des objets

Dépend du processus ( vs Z+jet) et Générateur Monte-Carlo.

Balance entre le pT d’unjet corrigé de JES corrected jet pT

(jet ramené au niveau particule)

le pT du Z/ (i.e., vrai pT de l’ensemble du système qui recule au Z)

et


S.S.R. : Photon vs Z (données)

Photon+jet

Z+jet

<S>gauss

Pureté…

… mais surtout différences quarks/gluons !


S.S.R. : Pythia vs Alpgen

More generally, the Monte Carlo predictions are different when one compares:

• inclusive Z PYTHIA and Z+jet(s) ALPGEN• photon+jet PYTHIA and Z+jet(s) ALPGEN

Because ALPGEN is more widely used for processes involving jet production, we choose Z(ee)+jet(s) ALPGEN as reference MC, but we will need photon+jet data and MC when statistics require it.

The relative data/MC JES will be different depending on the MC you are using…

There are large differences between

Pythia and Alpgen for Z+jets

This plot shows <S>,the arithmetic mean of S,as a function of the Z pT.


MC at the particle level

See on MC what happens at particle level:

Z Particle Level (Alpgen)

Photon Particle Level (Pythia)

<S>

There is also a deficitat high pT.

This /Z difference is understood in terms of different quark-gluon compositions


Remapping

All correction factors presented up to now were parameterized as a function of the Z pT (measure of the “true” jet pT…)

Two parameterizations as a function of the measured jet pT were performed:

One appropriate for a QCD-like steeply falling pT spectrum (W/Z+jet, …) One appropriate for a uniform spectrum (ttbar, …)

The results obtained with the two kinds of remapping are in fact very similar…

<S>

Uniform

QCD


Systematic uncertainties on the relative JES

asymmetric error: + 0.3/- 0.0%

symmetric error: +/- 0.3%

EM energy scale for Z events: symmetric error: 0.2 % The influence of additional low pT jets:

The influence of the variation of the cut: Extrapolation from CC to non-CC jets: symmetric error: +/- 1.5 % This error covers also the uncertainty due to the difference between

photon and Z+jet events regarding variations of the flavor composition in the CC and non-CC regions.

CC ICR

Below 2%

Systematic errors considered:

Run IIa results:


1

Back to basics…

<S>gau

ss

Z+ CC jet

(1): We observe data/MC discrepancies in the transverse energy imbalances

as well as in the resolutions (2)

dataMC

Sgauss widths

(3): Even at high pT, a JES corrected jet fails to balance the Z pT…

3

2

(2) Could be naïvely interpreted as a well known improper detector simulation…

… but why (3) ? Is the JES wrong ?


Back to basics: Wrong JES ?

Not necessarily… Same effect is seen when looking at MC particle level…

For the JESFor SSR

R= 0.5 Particle jet

Whole recoiling system to a /Z

What is a “jet” ?

As said before (slides 5 et 6): The S observable, used to determine the SSR correction factors, is sensitive to the “rest of the event”, “QCD effects”, “out of cone radiation”,…Depends on the physics

simulation ! This was observed by comparing MCs

for different processes (+jet and Z+jet) for different generators (ALPGEN and PYTHIA)

Which is why Z+jet generated with ALPGEN was chosen as reference MC, as this is where SSR is most widely used.


Back to basics: What SSR really does

SSR will perform a global data/MC intercalibration for both detector (intrinsic resolutions, jet reconstruction threshold,…) and physics (out-of-cone radiation, …) discrepancies, without trying to disentangle the two effects…

Even if the physics simulation was perfect (which is likely not the case…) we could expect data/MC differences due to miscalibration of the unclustered energy… And there are doubts on the validity of the JES at low pT…

It should work reasonably well for jets in Z(W)+jet events,

generated with ALPGEN.


rJES : Erreurs

EC VEC

ICR


SSR quark/gluon : Mise en équation

Z

mix

gluon

quark

Zgluon

Zquark

mixgluon

mixquark

S

S

S

S

)det(

)det( /

/ F

AS

gluonquark

gluonquark

ZZquark

mixmixquarkgluon

S

SA

Zgluon

Z

mixgluon

mix

quark

S

SA

Pas de solution si det(F) = 0.

Matrice de Fractions de Saveurs F Les solutions sont données par :

where:

Zquark

mixgluon

Zgluon

mixquark

Quand les fractions de quark (resp. gluon) sont les mêmes dans les deux lots.


Photon : Fractions de Quark/Gluon dans les regions en

CCICRECALL

CCICRECALL


Z : Fractions de Quark/Gluon dans les regions en

CCICRECALL

CCICRECALL


Optimisation du L3 : Résultats


jet pT

Trigger: Simulation des jets L2 et L3

Simulation des jets L2 et L3: Construite à partir des données (skim NP)1) On part des bons Jets offline, corrigés de JES, séparés en 3 regions en .

3) Calcul et ajustement du ratio pT(offline)/pT(online) en différents bins de pT et .

Corrige l’énergie des jets offline par le ratio (3) pour reproduire celle online.

CC: L2 (offline)/L2 (online)60 < pT < 100

L2, CC

Utilisation de ces jets simulés pour calculer les quantités de trigger (HT, MHT,…)

2) Calcul du ratio jets offline/jets offline matchés en R(<0.5) à jets online. => turnons.

Application du turnon pour déterminer la probabilité qu’un jet ait été reconstruit au L2/L3.

Application au MC:


Ajout d’un turnon (en fonction de METD) pour modéliser la MET au L3.

Dérivé après les vrais L1, L2 et tous les termes de jets du L3.

Run IIb : Modifications de la paramétrisation des Niveaux 2 et 3

Simulation des jets L3 basée sur la paramétrisation Corrections apportées à la simulation pour p20:- Ratio L3 Jet pT simulé/L3 vrai Jet pT en 3 régions en - 11% de correction dans l’EC, 7% dans le CC.

1.4 < || < 3.2


Combinaisons de différents algorithme au sein d’un Réseau de Neurones :

Vertex secondaire, paramètre d’impacts,

Etiquetage des quarks b à l’aide d’un réseau de neurones (NN)

Les hadrons Beaux ont un temps de vie long :

Recherche de vertex déplacés.

Grande efficacité et pureté Loose ~ 70% eff, 4.5% mistag Tight ~ 50% eff, 0.5% mistag


B-tagging : traitement de la simulation

Critères minimaux pour que les algorithmes de b-tagging puissent être appliqués à un jet :

le jet doit être étiquetable (« association à un jet de traces »)

Simulation : sur-estime l’efficacité de reconstruction des traces.

Détermination de l’étiquetabilité d’un jet dans les données (P1)

dépend de la topologie, de PVz, de eta, de pT

Probabilité d’étiqueter un jet mesurée dans les données (P2)

B-tagging dans la simulation : pondération des événements par P1*P2.


Analyse Run IIa : chiffres


Analyse Run IIb : chiffres


Arbres de décision

Motivations : La plupart des événements n’ont pas **toutes** les caractéristiques du signal ou des bruits de fonds.

Etendre la sélection basée uniquement sur des coupures. Continuer d’analyser les événements rejetés par un critère particulier Voir si d’autres critère ne permet pas de les classer proprement.

Classer tous les événements pour chaque variable.Pour chaque variable, on trouve la valeur qui fournit la meilleure séparation en 2 noeuds :

Principalement des événements de signal dans un noeud, Principalement des événements de fond dans l’autre.

Sélectionne la variable et sa valeur associée qui fournit la meilleure séparation.

Production de deux branches. Algorithme répété sur chaque nouvelle branche. Sortie de l’arbre : Pureté de la feuille (S/S+B).

Proche de 1 pour le signal, proche de 0 pour le bruit de fond.


RunIIa DT output

DT discriminant output:

Example for a Higgs signal with mH=115 GeV, for Run

IIa

Signal (x25)


Coupures topologiques contre le fond QCD

QCD

W+jetsZ+jets

Signal ZH (x100)

-0.1 < (MET-MHT)/(MET+MHT) < 0.2

(jet 1, jet 2) < 165°

MET > 80 – 40*min(jets, MET)


CLs

CLb : probabilité que les données vérifient l'hypothèse bruit de fondCLs+b : probabilité que les données vérifient l'hypothèse bruit de fond plus signal

CLs :probabilité que le signal soit présent dans les données analyséesIl est calculé à partir de Ndata, Nbdf et Nsig

Les corrélations des erreurs systématiques entre bdf et sig sont prises en compteSi CLs < 5% le signal considéré est exclu à 95% de niveau de confiance.

On définit aussi le <CLs> attendu en l'absence de signalCls moyenné sur un grand nombre d’expériences de pensée où l’on tire aléatoirement: N : nombre de bruit de fond attendu suivant une gaussienne : <N>=Nbdf nombre « observé » (Poisson avec N comme valeur centrale).

CLs = CLs+b/CLb

1-CLs : peut être directement interprété comme le niveau d’exclusion de la recherche.


LLR


Limites : Run IIa & Run IIb

Run IIa Run IIb

Combinaison des deux analyses (Run IIa & Run IIb) :

Systématiques corrélées

• à part les fractions de saveurs lourdes


Collie & systématiques

• Limits calculating and combination– Using Bayesian and CLs methodologies.– Incorporate systematic uncertainties using pseudo-experiments (shape and rate

included) (correlations taken into account between experiments)– Backgrounds can be constrained in the fit


Améliorations possibles de l’analyse ZH

Coupure en MET : abaissée à 40 GeV

15% de signal en plus

Important fond QCD rajouté

Nécéssite un modèle plus robuste du fond QCD.

Utilisation du lot « single tag » en plus du « double tag »

Séparation en sous-lots 2 et 3 jet bins

Séparation en sous-lots à l’aide des traces isolées :

lot avec traces isolées : signal WH, bruit de fond top

lot sans traces isolées : signal ZH, fond Z

Utilisation de plus de données (plus de 4 fb-1 disponible)

Amélioration de la résolution des jets


Résultats : comparaisons

Résultat le plus sensible pour un Higgs de basse masse à DØ. Comparable au résultat ZH de CDF Résultat WH de CDF : le plus sensible du Tevatron

Analyse Lum (fb-

1)Limite

AttendueLimite

Observée

CDF NN 2.7 5.8 5.0

CDF ME+BDT

2.7 5.6 5.7

DØ NN 1.7 8.5 9.3

Analyse Lum (fb-

1)Limite

AttendueLimite

Observée

CDF NN 2.1 6.3 7.9

DØ BDT 2.1 8.4 7.5

Analyse

WHlbb

Analyse

ZHbb


Analyse ZH de CDF

Analysis Lum (fb-1)

Higgs Events

Exp. Limit

Obs. Limit

CDF NN 2.1 7.3 6.3 7.9

Results at mH = 115GeV: 95%CL Limits/SM

Use of track missing pT to define control regions and suppress backgrounds Uses of H1 Jet Algorithm combining tracking and calorimeter information 3 jet events including W acceptance QCD-NN with missing-pT to reject background Add 3rd jet in WHbb Split single/double tag

• ZHbb, WHlbb(l not detected) - signature: MET and b jets– Key issue: Building a model of the QCD background

• Shape from 0 and 1 b tagged data samples with tag and mistag rates applied

QCD-rejectionNeuralNet

AnalysisNeuralNet


Analyse WH : DØ & CDF (1)

Loose double taggingLoose double taggingLepton ID with isolatedLepton ID with isolatedtracks/extended muonstracks/extended muonsInclude W+3 jet dataInclude W+3 jet dataInclude fwd electronsInclude fwd electronsNN discriminatorNN discriminatorME+BDTME+BDT

b

b

l

W* H

W

1 lepton+MET+ 2 b jets1 lepton+MET+ 2 b jetsAbout 3-4 evts / 1fbAbout 3-4 evts / 1fb-1-1

Most sensitive channelMost sensitive channel

- Highlights -- Highlights -


Analyse WH : DØ & CDF (2)

ME discriminant ME+BDT

ME approach goodIn capturing LO discrimination

Add other kinematic eventvariables to ME in a BDTto capture higher order effects

NN Inputs:

NN Inputs:

signalbackground

NN output

signalbackground


Combinaison de DØ

Un total de 21 canaux

Plusieurs améliorations possibles : Plus de données Plus de canaux Acceptance augmentée

(e.g. ID lepton) Techniques d’analyses

multivariables plus sensibles (e.g. inclure ME discriminant) Réduction des systématiques

et particulièrement à basse masse : Meilleur b-tagging (e.g.,

discrimation b/c, soft lepton tagging,…)

Amélioration de la résolution de la masse invariante dijet

A mH = 160 GeV:

Limite attendue : 2.1 x SMLimite observée : 3.0 x SM

A mH = 115 GeV:

Limite attendue : 4.6 x SMLimite obervée : 5.3 x SM


Combinaison de CDF (1)

Combinaison des 6 canaux majeurs :

WHlbb

VHMET+bb

ZHllbb

H

HW+W-

WHWW+W-

Lumi : 1.9 – 3.0 fb-1

A mH = 115 GeV:

Limite attendue : 3.5 x SMLimite obervée : 4.2 x SM

A mH = 160 GeV:

Limite attendue : 1.7 x SMLimite observée : 1.5 x SM


Combinaison de CDF (2)

WH : canal le plus sensible à basse masse

HWW : contribution à haute masse et aux masse intermédiaires

Ligne : projection 1/sqrt(L) Jaune (haut) : Limites de 2007 divisées par 1.5Jaune (bas) : Limites de 2007 divisée par 2.25


Exclusion du Higgs à 170 GeV

101

• First direct exclusion since LEP II.• Limits continued to scale ~linearly with

luminosity between Moriond’08 and ICHEP’08.

• Expect to exclude wide mass range by Moriond’09.

Excluded mH = 170 GeV @ 95% CL


Sections efficaces au Tevatron

1

Higgs ggH 0.03-0.3


Higgs au LHC

103

Excl

uded

by

LEP

Excl

uded

by

LEP

Disfavoured by EW precision fitsDisfavoured by EW precision fits


ATLAS preliminary

Exclusion at 95% CL

• Results from the above analyses were used in ATLAS to produce a combined measurement

• Discovery:– Need ~20 fb-1 to probe down to mH=115 GeV/c2

– 10 fb-1 will allow 5σ discovery if mH is in range 127 – 440 GeV/c2

– 3.3 fb-1 : 5σ discovery for mH in 136 – 190 GeV/c2

– Just under 2 fb-1 : 5σ discovery for mH = 160 GeV/c2

• Exclusion:– 2.8 fb-1 will allow exclusion at 95% CL of mH = 115

GeV/c2 (i.e. just above the LEP limit) – 2 fb-1 : exclusion at 95% CL in mH range 121 – 460

GeV/c2

– Less than 2 fb-1 should be enough to exclude region around mH ≈ 2mW

• The above luminosity numbers correspond to reasonably well understood data, but include realistic estimates of systematic effects and uncertainties

Ricardo Goncalo ICHEP08, Philadelphia 104

ATLAS preliminary

LHC : Statistical combination

5σ


LHC : Overall sensitivity

Ricardo Goncalo ICHEP08, Philadelphia 105

Exclusion

Discovery

christophe ochando recherche du boson de higgs dans le canal zh bb dans lexpérience dØ auprès du...

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